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La biopile, source d'énergie autonome

Aurélie Dureuil

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La biopile, source  d'énergie autonome

Les chercheurs ont implanté une biopile dans des rats.

© © CNRS

Des chercheurs français ont implanté pour la 1e fois un système de pile fonctionnant grâce aux liquides physiologiques. Des applications s'ouvrent pour l'alimentation en énergie de systèmes délivrant des médicaments.

Relarguer des médicaments dans l'organisme grâce à des piles fonctionnant avec les liquides physiologiques, ce n'est peut-être plus une utopie. Elles permettraient d'alimenter des systèmes délivrant des médicaments implantés dans l'organisme. Une équipe de chercheurs français a implanté pour la 1e fois une biopile dans des rats. « Certains débouchés des biopiles sont, aujourd'hui, l'électronique portable et des utilisations dans des plateformes en milieu hostile comme le désert. Mais la principale application visée est la biopile implantable dans le corps humain. Cependant, si tout le monde en parle, personne ne l'a jamais réalisée », constate Serge Cosnier, chercheur au département de chimie moléculaire, une unité du CNRS à l'université de Grenoble. Avec ses compétences sur les biocapteurs et l'immobilisation de biomolécules, son équipe a réussi cette prouesse, dont les résultats ont été publiés dans Nature Communication. « Depuis une quinzaine d'années, nous travaillons sur les biocapteurs, des systèmes analytiques qui exploitent les propriétés des biomolécules pour la reconnaissance moléculaire d'un substrat. Nous avons alors développé une stratégie pour l'immobilisation et la connexion d'enzymes sur la surface d'électrodes : les fondamentaux d'une biopile », se félicite-t-il. Car la biopile mise au point par l'équipe grenobloise utilise des enzymes pour les étapes d'oxydo-réduction nécessaires à la création d'un courant électrique.

Une puissance faible de la biopile

 

La première étape réalisée par les chercheurs français a consisté à identifier les enzymes capables de travailler dans un milieu neutre, c'est-à-dire à pH 7 comme le sang. Une enzyme devait oxyder le sucre, ici le glucose, tandis que l'autre devait réduire l'oxygène. Chaque enzyme agit alors comme une électrode de pile : l'une génère des électrons au cours d'une oxydation, pendant que l'autre consomme ces électrons pour la réduction. « Nous avons utilisé la polyphénol oxydase pour la réduction et la glucose oxydase pour oxyder le glucose. Nous avons ainsi démontré que la biopile fonctionnait. Mais la puissance délivrée s'est avérée faible », indique Serge Cosnier. Afin d'augmenter la puissance, l'équipe CNRS s'est orientée vers l'établissement d'une connexion électrique directe entre les électrodes de la biopile et les enzymes. « Une connexion directe entre les enzymes avec des disques de nanotubes de carbone a permis de multiplier par dix la puissance », souligne le chercheur grenoblois. La biopile à glucose permet de délivrer une puissance de 1,3 mWcm-2 avec une tension maximale de 0,95 V. De plus, elle est stable pendant un mois. « La haute performance de notre biopile à glucose est due à la configuration des bioélectrodes qui permet aux enzymes d'agir dans un environnement conducteur à trois dimensions », notent les chercheurs dans l'article de Nature Communications. « Maintenant, nous cherchons à savoir combien de temps un tel système peut fonctionner et avec quelle puissance. Le rat étant un facteur limitant de par sa durée de vie, nous voudrions implanter notre biopile dans un animal plus gros qui pourrait garder notre système un ou deux ans. Dans un premier temps, nous allons implanter un système de pacemaker chez un bovidé », confie Serge Cosnier. Car la biopile utilise des produits venant de l'organisme. En théorie, elle pourrait fonctionner indéfiniment, contrairement à une pile de pacemaker dont la durée de vie est limitée. L'application visée n'est pourtant pas le pacemaker « qui réclame très peu d'énergie et pour lequel les piles scellées actuelles répondent à la demande », ajoute-t-il. Les chercheurs se tournent donc vers des applications plus gourmandes en énergie pour lesquelles les piles scellées ne conviennent pas. « D'autres systèmes fonctionnent avec des sources d'énergie qu'il faut recharger. Nous travaillons sur une nouvelle source d'énergie qui serait entre les piles scellées et les systèmes de recharge », indique Serge Cosnier. Il cite notamment des applications qui permettraient l'alimentation en énergie de systèmes de « relargage de médicament dans l'organisme, par exemple des pompes à insuline, ou des sphincters urinaires », selon Serge Cosnier.

Pour ces recherches, le laboratoire s'est associé au laboratoire grenoblois CNRS TIMC-IMAG dirigé par le professeur Philippe Cinquin, spécialiste de la conception et de l'implantation des systèmes artificiels. Il s'est également rapproché d'industriels concernant l'implantation et les systèmes de pacemaker, et de STMicroelectronics, spécialisé dans la microélectronique. « Grâce à ces résultats, nous avons obtenu un financement des investissements d'avenir dans le domaine des nanobiotechnologies pour poursuivre nos travaux », souligne Serge Cosnier qui précise que les recherches ont été soutenues par le programme interdisciplinaire du CNRS sur l'énergie.

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